Tecnología de Membrana Revolucionaria Extrae Litio del Agua

Laboratorio Nacional Argonne, Lemont, IL, y Universidad de Chicago, IL

Celda en forma de H para estudiar comportamiento de transporte de membrana—una mitad tiene mezcla de agua salada (líquido azul), la otra muestra resultado tras separación por membrana (líquido claro). De izquierda a derecha: Seth Darling y Yining Liu. (Imagen: Laboratorio Nacional Argonne)

El litio, el metal más ligero de la tabla periódica, juega un papel fundamental en la vida moderna. Su bajo peso y alta densidad energética lo hacen ideal para vehículos eléctricos, teléfonos móviles, portátiles y tecnologías militares donde cada onza cuenta. A medida que la demanda de litio se dispara, crecen las preocupaciones sobre suministro y fiabilidad.

Para ayudar a satisfacer la demanda creciente y posibles problemas de cadena de suministro, científicos del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional Argonne han desarrollado una tecnología de membrana innovadora que extrae eficientemente litio del agua. Varios miembros del equipo también tienen cargos conjuntos con la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) en la Universidad de Chicago.

"La nueva membrana que hemos desarrollado ofrece una alternativa potencial de bajo costo y abundante para la extracción de litio aquí en casa", dijo Seth Darling, Director Científico y Tecnológico para la dirección de Tecnologías Avanzadas de Energía de Argonne. También es Director del Centro de Investigación de Frontera Energética de Materiales Avanzados para Sistemas Energía-Agua (AMEWS) en Argonne y Científico Senior de PME.

Actualmente, la mayor parte del litio mundial proviene de minería de roca dura y lagos salados en solo unos pocos países, dejando las cadenas de suministro vulnerables a interrupciones. Sin embargo, la mayor parte del litio de la Tierra está realmente disuelto en agua de mar y reservas subterráneas de agua salada. ¿El problema? Extraerlo de estas fuentes no convencionales ha sido prohibitivamente costoso, intensivo en energía e ineficiente. Los métodos tradicionales luchan por separar el litio de otros elementos más abundantes como sodio y magnesio.

En agua salada, el litio y otros elementos existen como cationes. Estos son átomos que han perdido uno o más electrones, dándoles una carga eléctrica positiva. La clave para la extracción eficiente de litio radica en filtrar los otros cationes basándose tanto en tamaño como en grado de carga.

Estructura atómica de membrana de vermiculita mostrando capas 2D soportadas por pilares de óxido de aluminio. Bolas amarillas son iones de sodio dopados. (Imagen: Laboratorio Nacional Argonne)

La nueva membrana ofrece una prometedora solución de bajo costo. Está hecha de vermiculita, una arcilla naturalmente abundante que cuesta solo unos $350 por tonelada. El equipo desarrolló un proceso para separar la arcilla en capas ultradelgadas —apenas una milmillonésima de metro de espesor— y luego re-apilarlas para formar una especie de filtro. Estas capas son tan delgadas que se consideran 2D.

Pero había un problema: Sin tratar, las capas de arcilla se deshacen en agua en media hora debido a su fuerte afinidad por ella.

Para resolver este problema, los investigadores insertaron pilares microscópicos de óxido de aluminio entre las capas, dando a la estructura la apariencia de un estacionamiento de varios pisos en construcción —con muchos pilares sólidos sosteniendo cada "piso" en su lugar. Esta arquitectura previene el colapso mientras neutraliza la carga superficial negativa de la membrana, un paso crucial para modificaciones posteriores.

Luego, se introdujeron cationes de sodio en la membrana, donde se asentaron alrededor de los pilares de óxido de aluminio. Esto cambió la carga superficial de la membrana de neutra a positiva. En agua, tanto los iones de magnesio como los de litio llevan carga positiva, pero los iones de magnesio llevan una carga más alta (+2) comparada con la del litio (+1). La superficie positivamente cargada de la membrana repele los iones de magnesio de mayor carga más fuertemente que a los iones de litio. Esta diferencia permite que la membrana capture iones de litio más fácilmente mientras mantiene fuera los iones de magnesio.

Para refinar aún más el rendimiento, el equipo agregó aún más iones de sodio. Esto disminuyó el tamaño de poro de la membrana. El resultado es que la membrana permite el paso de iones más pequeños como sodio y potasio mientras atrapa los iones de litio más grandes.

"Filtrando por tanto tamaño de ión como carga, nuestra membrana puede extraer litio del agua con mucha mayor eficiencia", dijo la primera autora Yining Liu, candidata a doctorado en UChicago y miembro del equipo AMEWS. "Tal membrana podría reducir nuestra dependencia de proveedores extranjeros y abrir la puerta a nuevas reservas de litio en lugares que nunca consideramos".

Los investigadores creen que este avance podría tener aplicaciones más amplias, desde recuperar otros materiales clave como níquel, cobalto y elementos de tierras raras, hasta eliminar contaminantes dañinos de suministros de agua.

"Hay muchos tipos de este material de arcilla", dijo Liu. "Estamos explorando cómo podría ayudar a recolectar elementos críticos de agua de mar y salmueras de lagos salados o incluso ayudar a limpiar nuestra agua potable".

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